CN111576350A - 拱坝体形自动优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种拱坝体形自动优化方法，属于拱坝体形设计领域。为能够快速有效地对拱坝体形进行体积优化，本发明包括：获得拱坝初始体形，该体形能够满足应力控制和几何约束指标；基于对坝体体积的影响程度，将众多的拱坝体形控制参数分为厚度参数及曲率半径参数；对厚度参数逐个降低进行减值调整试算，当计算的应力值等于应力控制指标，且所有厚度均无法再降低时，停止降低厚度参数；对曲率半径参数进行减值调整试算，若在某一个曲率半径参数的调整试算中，计算的应力值重新降低至应力控制标准以下，且此状态下拱坝体形满足几何约束指标，则再次回到厚度参数的调整试算，如此交叉循环进行试算，直至最终所有参数均不能调整修改时便得到最终体形。

Description

拱坝体形自动优化方法
技术领域
本发明涉及拱坝体形设计领域，特别涉及一种拱坝体形自动优化方法。
背景技术
拱坝体形为空间壳体结构，拱坝体形设计的基本目的是以最小的体积满足承受荷载并维持稳定的要求。
拱坝体形设计时,需给定数个特征高程上的平面拱圈形状和拱冠梁形状,如图1所示。为了确定这些曲面的形状，需要给出相应的几何参数。平面拱圈以拱冠梁为界，分为右半拱圈和左半拱圈。对每一个半拱圈需给出曲率半径R和拱端厚度T，对拱冠梁则需给出上下游面3次曲线所需要的所有参数，包括上游面4个点的坐标和对应的4个厚度值。
建基面形状确定的前提下(建基面形状由河谷地形和岩体分布确定)，假定特征高程为n个，则有2n个拱圈和1个拱冠梁，因此参数总数为2n×2(R和T)+12(4个y、z坐标和4个厚度)＝4n+12个。将各个主要参数整合成数组形式则为曲率半径R(2n)和厚度T(2n+4)。在以往的实际工程设计中，特征高程一般取7～9个，若以8个特征高程的双曲拱坝为例，可调的参数总数则为44个。
拱坝体形的优化是寻找满足几何和应力条件的参数组合，使得拱坝体积最小，且体形合理。若对全部的参数组合进行遍历试算，即使每个参数只试算2个值也会使得总试算次数达到1.76×1013次，目前的设计实践中无论是算法还是计算机都无法实现在可接受的时间内完成计算。因此在目前的拱坝设计中实际未采用任何的计算机辅助性体形优化算法，基本是依靠设计人员的经验调整试算。
发明内容
本发明的目的是提供一种拱坝体形自动优化方法，能够快速有效地对拱坝体形进行体积优化。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：拱坝体形自动优化方法，包括如下步骤：
步骤1、获得拱坝初始体形，该体形能够满足应力控制指标和几何约束指标；
步骤2、基于对坝体体积的影响程度，对众多的拱坝体形控制参数进行分类，分为厚度参数及曲率半径参数；
步骤3、对厚度参数逐个降低进行减值调整试算，当计算的应力值恰好等于应力控制指标，且所有厚度均无法再降低时，停止降低厚度参数；
步骤4、对曲率半径参数进行减值调整试算，若在某一个曲率半径参数的调整试算中，计算的应力值重新降低至应力控制标准以下，且此状态下，拱坝体形满足几何约束指标，则再次回到厚度参数的调整试算，如此交叉循环进行试算，直至最终所有参数均不能调整修改时便得到最终体形。
进一步的是，步骤1中，所述拱坝初始体形，通过人工调试获得。
进一步的是，步骤1中，所述应力控制指标是指：每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求；所述几何约束指标是指：拱坝建基面满足光滑条件，且拱坝体形合理。
进一步的是，每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求具体是指：基本荷载组合拉应力不超过1.2MPa，特殊荷载组合拉应力不超过1.5MP。
进一步的是，步骤3和4中，所述减值调整试算的步长Δ的范围为0.2m～1.0m，所述步长Δ优选为0.5m。
进一步的是，步骤3中，将厚度参数逐个降低进行减值调整试算时，试算的应力结果包括以下两种情况：
计算应力值大于应力控制标准，则当前厚度值T(i)的试算值T(i)-Δ无效，保持原值T(i)不变，并跳过至下一个厚度值T(i+1)的试算；
计算应力值小于或等于应力控制指标，则当前厚度值T(i)的试算值T(i)-Δ有效，以T(i)-Δ代替T(i)进行更新，并转入下一个厚度值T(i+1)的试算。
进一步的是，步骤3中，所述将厚度参数逐个降低进行减值调整试算，指对厚度值数组T(2n+4)的所有元素进行多轮遍历试算，每经过一轮试算，计算应力值会逐渐接近应力控制标准并最终相等，当对数组T(2n+4)中任一元素T(i)，i＝1，2，...，2n+4进行减值试算均会导致计算应力值大于应力控制指标时，则停止逐轮试算，进入步骤4；
步骤4中，所述对曲率半径参数进行减值调整试算，指对曲率半径R(2n)的各个值进行调整，即以R(2n)±Δ作为试算值，由于增大曲率半半径可以减小方量，故优先试算R(2n)+Δ。
进一步的是，步骤4中，对曲率半径参数进行减值调整试算时，试算的应力结果包括以下两种情况：
计算应力值大于或等于应力控制标准，则当前曲率半径R(i)的试算值R(i)±Δ无效，保持原值R(i)不变，并跳至下一个曲率半径值R(i+1)的试算；
计算应力值小于应力控制指标，则当前曲率半径R(i)的试算值R(i)±Δ有效，以R(i)±Δ代替R(i)进行更新。
进一步的是，步骤4中，对当前的拱坝体形建基面的几何光滑度进行检查：若满足要求，保留所有几何参数，当前体形有效，然后跳至步骤3进行下一循环的优化试算；若不满足要求，则自动优化停止，取初始状态或前一循环的体形状态作为最终体形。
进一步的是，步骤4中，所述建基面几何光滑度，应对建基面的上、下游边界曲线进行空间曲线拟合，所采用的曲线形式、阶次和拟合精度根据工程设计实际需要选取。
本发明的有益效果是，通过上述拱坝体形自动优化方法，首先，获得拱坝初始体形，该体形能够满足应力控制指标和几何约束指标，其次，基于对坝体体积的影响程度，对众多的拱坝体形控制参数进行分类，分为厚度参数及曲率半径参数，然后，对厚度参数逐个降低进行减值调整试算，当计算的应力值恰好等于应力控制指标，且所有厚度均无法再降低时，停止降低厚度参数，最后，对曲率半径参数进行减值调整试算，若在某一个曲率半径参数的调整试算中，计算的应力值重新降低至应力控制标准以下，且此状态下，拱坝体形满足几何约束指标，则再次回到厚度参数的调整试算，如此交叉循环进行试算，直至最终所有参数均不能调整修改时便得到最终体形。因此，本发明能够能够在短时间内获取结果，进而能够快速有效地对拱坝体形进行体积优化。
附图说明
图1为现有拱坝体形的主要控制面示意图；
图2为本发明实施例体形搜索流程图；
图3为本发明实施例建基面形状控制示意图；
图4为本发明实施例中迭代计算过程示意图；
图5为本发明实施例中优化后的拱坝体形对比图。
其中，①为水平拱圈，②为拱冠梁，σ为计算应力，[σ]为标准控制应力，③为目标多项式曲线，④为实际建基面形状，⑤为优化前体形，⑥为优化后体形。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述拱坝体形自动优化方法，包括如下步骤：
步骤1、获得拱坝初始体形，该体形能够满足应力控制指标和几何约束指标；
步骤2、基于对坝体体积的影响程度，对众多的拱坝体形控制参数进行分类，分为厚度参数及曲率半径参数，其中，厚度参数对坝体体积的影响为一阶，影响较为显著，曲率半径参数对坝体体积的影响为高阶，相对于厚度参数影响较为微弱；
步骤3、对厚度参数逐个降低进行减值调整试算，当计算的应力值恰好等于应力控制指标，且所有厚度均无法再降低时，停止降低厚度参数；
步骤4、对曲率半径参数进行减值调整试算，若在某一个曲率半径参数的调整试算中，计算的应力值重新降低至应力控制标准以下，且此状态下，拱坝体形满足几何约束指标，则再次回到厚度参数的调整试算，如此交叉循环进行试算，直至最终所有参数均不能调整修改时便得到最终体形。
这里，在初始体形的基础上，在计算应力值满足应力控制标准的条件下，对厚度参数值进行降低，随着坝体各部位厚度的降低，应力值会不断升高，当计算应力值恰好等于应力控制指标时，且所有厚度均无法再降低时，即任何一个厚度值的降低均为导致计算应力值超标，对曲率半径参数进行调整试算，若在某一个曲率半径参数的调整试算中，计算应力值重新降低至应力控制标准以下，且此状态下，拱坝体形合理，建基面平滑，则再次回到厚度参数值进行下一次循环，如此交叉循环进行，直至最终所有参数均不能调整修改时便得到最终体形。
实际应用中：
首先对参数进行分类，将全部的4n+12个参数分为两类：第一类参数为厚度，第二类参数为曲率半径和特征点位置坐标。第一类厚度参数对坝体体积的影响为1阶影响，原则上呈线性关系。第二类曲率半径和特征点位置坐标参数对坝体体积的影响为高阶影响，敏感程度远远低于第一类，但是对拱坝的受力特性和应力分布有重要影响。
然后设置约束，约束分两种：一种是应力控制约束，即每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求，即基本荷载组合拉应力不超过1.2MPa，特殊荷载组合拉应力不超过1.5MPa；另一种是几何约束，即拱坝建基面满足光滑条件，建基面形状控制示意图见附图3。
最后实施交替搜索：对厚度参数逐个降低，此时坝体体积降低，坝体应力升高，当应力升高至规范要求的控制值时，停止降低厚度。对曲率半径和特征点位置坐标等进行逐个调整试算，使得坝体应力值降至控制值以下。然后再进度降低厚度环节，并往复循环，直至对任意一个参数进行试算都会使得应力超标，即得到约束条件下的拱坝体积极小值，优化搜索过程结束。需要指出的是，搜索的全过程中，拱坝体形应该满足几何光滑约束。
上述方法中，步骤1中，所述拱坝初始体形，可以通过人工调试获得；所述应力控制指标是指：每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求；所述几何约束指标是指：拱坝建基面满足光滑条件，且拱坝体形合理。
并且，每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求具体是指：基本荷载组合拉应力不超过1.2MPa，特殊荷载组合拉应力不超过1.5MP。
步骤3和4中，为符合实际工况需求，所述减值调整试算的步长Δ的范围为0.2m～1.0m，所述步长Δ优选为0.5m。
步骤3中，将厚度参数逐个降低进行减值调整试算时，试算的应力结果包括以下两种情况：
计算应力值大于应力控制标准，则当前厚度值T(i)的试算值T(i)-Δ无效，保持原值T(i)不变，并跳过至下一个厚度值T(i+1)的试算；
计算应力值小于或等于应力控制指标，则当前厚度值T(i)的试算值T(i)-Δ有效，以T(i)-Δ代替T(i)进行更新，并转入下一个厚度值T(i+1)的试算。
步骤3中，所述将厚度参数逐个降低进行减值调整试算，指对厚度值数组T(2n+4)的所有元素进行多轮遍历试算，每经过一轮试算，计算应力值会逐渐接近应力控制标准并最终相等，当对数组T(2n+4)中任一元素T(i)，i＝1，2，...，2n+4进行减值试算均会导致计算应力值大于应力控制指标时，则停止逐轮试算，进入步骤4；
步骤4中，所述对曲率半径参数进行减值调整试算，指对曲率半径R(2n)的各个值进行调整，即以R(2n)±Δ作为试算值，由于增大曲率半半径可以减小方量，故优先试算R(2n)+Δ。
对曲率半径参数进行减值调整试算时，试算的应力结果包括以下两种情况：
计算应力值大于或等于应力控制标准，则当前曲率半径R(i)的试算值R(i)±Δ无效，保持原值R(i)不变，并跳至下一个曲率半径值R(i+1)的试算；
计算应力值小于应力控制指标，则当前曲率半径R(i)的试算值R(i)±Δ有效，以R(i)±Δ代替R(i)进行更新。
步骤4中，对当前的拱坝体形建基面的几何光滑度进行检查：若满足要求，保留所有几何参数，当前体形有效，然后跳至步骤3进行下一循环的优化试算；若不满足要求，则自动优化停止，取初始状态或前一循环的体形状态作为最终体形。所述建基面几何光滑度，应对建基面的上、下游边界曲线进行空间曲线拟合，所采用的曲线形式、阶次和拟合精度根据工程设计实际需要选取。
实施例
本发明实施例本发明所述拱坝体形自动优化方法，其体形搜索流程图见附图2，以金沙江上游某拱坝为例，体形体系为8拱15梁，双曲抛物线空间构型，原体形方量为229.5万m3，其建基面形状控制示意图见图3。
本实施例中，设置如下约束条件：
约束条件1：应力约束，拉应力不超过1.0MPa，压应力不超过8.0MPa。
约束条件2：几何约束，建基面边界线光滑度数(3次曲线拟合的均方误差)不大于0.5，建基面上游侧边界线为凸函数曲线。
经过83次迭代计算，建基面上游侧边界线的凹凸性达到临界(几何约束不满足)，停止计算，方量由229.5万m3降低至200.8万m3，迭代计算过程示意图如图4所示，优化后的拱坝体形对比图见图5所示。
通过本实施例的描述可知，本实施例能够在短时间内求解，进而能够快速有效地对拱坝体形进行体积优化，并且可以运用于工程实践。

Claims (10)

1.拱坝体形自动优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获得拱坝初始体形，该体形能够满足应力控制指标和几何约束指标；
步骤2、基于对坝体体积的影响程度，对众多的拱坝体形控制参数进行分类，分为厚度参数及曲率半径参数；
步骤3、对厚度参数逐个降低进行减值调整试算，当计算的应力值恰好等于应力控制指标，且所有厚度均无法再降低时，停止降低厚度参数；
步骤4、对曲率半径参数进行减值调整试算，若在某一个曲率半径参数的调整试算中，计算的应力值重新降低至应力控制标准以下，且此状态下，拱坝体形满足几何约束指标，则再次回到厚度参数的调整试算，如此交叉循环进行试算，直至最终所有参数均不能调整修改时便得到最终体形。
2.根据权利要求1所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤1中，所述拱坝初始体形，通过人工调试获得。
3.根据权利要求1所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤1中，所述应力控制指标是指：每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求；所述几何约束指标是指：拱坝建基面满足光滑条件，且拱坝体形合理。
4.根据权利要求3所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，每一个体形在荷载作用下根据拱梁分载法计算出的应力不能超过规范要求具体是指：基本荷载组合拉应力不超过1.2MPa，特殊荷载组合拉应力不超过1.5MP。
5.根据权利要求1所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤3和4中，所述减值调整试算的步长Δ的范围为0.2m～1.0m，所述步长Δ优选为0.5m。
6.根据权利要求5所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤3中，将厚度参数逐个降低进行减值调整试算时，试算的应力结果包括以下两种情况：
计算应力值大于应力控制标准，则当前厚度值T(i)的试算值T(i)-Δ无效，保持原值T(i)不变，并跳过至下一个厚度值T(i+1)的试算；
计算应力值小于或等于应力控制指标，则当前厚度值T(i)的试算值T(i)-Δ有效，以T(i)-Δ代替T(i)进行更新，并转入下一个厚度值T(i+1)的试算。
7.根据权利要求6所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，
步骤3中，所述将厚度参数逐个降低进行减值调整试算，指对厚度值数组T(2n+4)的所有元素进行多轮遍历试算，每经过一轮试算，计算应力值会逐渐接近应力控制标准并最终相等，当对数组T(2n+4)中任一元素T(i)，i＝1，2，...，2n+4进行减值试算均会导致计算应力值大于应力控制指标时，则停止逐轮试算，进入步骤4；
步骤4中，所述对曲率半径参数进行减值调整试算，指对曲率半径R(2n)的各个值进行调整，即以R(2n)±Δ作为试算值，由于增大曲率半半径可以减小方量，故优先试算R(2n)+Δ。
8.根据权利要求7所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤4中，对曲率半径参数进行减值调整试算时，试算的应力结果包括以下两种情况：
计算应力值大于或等于应力控制标准，则当前曲率半径R(i)的试算值R(i)±Δ无效，保持原值R(i)不变，并跳至下一个曲率半径值R(i+1)的试算；
计算应力值小于应力控制指标，则当前曲率半径R(i)的试算值R(i)±Δ有效，以R(i)±Δ代替R(i)进行更新。
9.根据权利要求1或3所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤4中，对当前的拱坝体形建基面的几何光滑度进行检查：若满足要求，保留所有几何参数，当前体形有效，然后跳至步骤3进行下一循环的优化试算；若不满足要求，则自动优化停止，取初始状态或前一循环的体形状态作为最终体形。
10.根据权利要求1或3所述的拱坝体形自动优化方法，其特征在于，步骤4中，所述建基面几何光滑度，应对建基面的上、下游边界曲线进行空间曲线拟合，所采用的曲线形式、阶次和拟合精度根据工程设计实际需要选取。
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